儲(chǔ) 瑩，全永志

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160）

金屬管道建設(shè)是國家基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的工作重點(diǎn)之一[1]，長輸管線設(shè)計(jì)的合理性將直接影響到輸送線路周邊的環(huán)境安全[2]。長輸管線工程以埋地敷設(shè)方式進(jìn)行輸送，具有隱蔽、距離長和危害性大的特點(diǎn)，管道內(nèi)所運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)因會(huì)隨風(fēng)擴(kuò)散，具有比輸油管道更危險(xiǎn)的特性，本文就是對某金屬長輸管道進(jìn)行安全設(shè)計(jì)和事故模擬分析，為以后預(yù)防同類事故的發(fā)生起到參考作用。

1 設(shè)計(jì)方案

金屬管道內(nèi)所傳輸?shù)慕橘|(zhì)是一種成分復(fù)雜的混合物，根據(jù)介質(zhì)來源的不同，其組分也有不同，其中以甲烷最多，含量通常在80%～97%左右[3]，其它還有少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、氮?dú)狻⒘蚧瘹涞取?/p>

表1 主要物化性質(zhì)表

1.1 輸氣系統(tǒng)工藝

本金屬長輸管線工程設(shè)計(jì)輸氣能力4.0×108m3/a，長輸系統(tǒng)由輸入介質(zhì)中心閥室接氣后，經(jīng)計(jì)量、調(diào)壓至5.5MPa，后進(jìn)入輸入管道，經(jīng)各分輸氣站管道輸至門站(進(jìn)站壓力最低為3.94MPa)。介質(zhì)在門站經(jīng)過濾、分離后，一路計(jì)量、壓力調(diào)節(jié)后，送入所需要資源的輸配管網(wǎng)；另一個(gè)被測量和調(diào)節(jié)，并被送至基地以加壓并加壓至25MPa。金屬管道通過優(yōu)先控制面板直接連接。該運(yùn)輸管道主干線全長約97.4Km，配套4條支線，支線總長度21.2km，含線路閥室(含分輸閥室）6座。

1.2 輸氣管道

1.2.1 管道敷設(shè)

敷設(shè)方式及要求：采取埋地敷設(shè)。在地下鋪設(shè)金屬管道時(shí)，管道與土壤之間會(huì)發(fā)生縱向摩擦。管道頂部的土壤越深，摩擦越大。然而，焊接管道時(shí)的環(huán)境溫度與管道中的介質(zhì)溫度之間存在溫差，并且該溫度差將導(dǎo)致管道縮短或加長。只有當(dāng)管道與土壤之間的摩擦力可以抑制管道的變形時(shí)，管道才能被掩埋。因此，該項(xiàng)目中管道的埋藏深度不僅考慮了土壤的深度，而且還考慮了管道被掩埋所需的掩埋土壤深度。從管道頂部到地面，該項(xiàng)目管道的埋藏深度為1m～1.2m[4]。溝槽的石頭和礫石部分比溝槽的一般部分深0.2m（用于溝槽底部的淺土），管道上部的深度為0.8m～1m，回填溝槽的高度低于管道頂部上方0.3m以下的淺層土壤。

為少占土地，管道施工作業(yè)帶應(yīng)盡量窄。根據(jù)不同的地形、地貌和管徑情況，采用不同的組焊、下溝方式，本工程管道的施工作業(yè)帶寬度：采用溝下組焊為14m～16m，在穿越地質(zhì)土壤中時(shí)，采用溝下組焊為10m～13m，平原地區(qū)采用溝上組焊為5m～20m。

線樞轉(zhuǎn)角：水平樞轉(zhuǎn)角和垂直線樞轉(zhuǎn)角最好有一個(gè)彈性墊[5]。受地形和地面物體的限制，當(dāng)難以執(zhí)行彈性管道時(shí)，可以使用曲率半徑為R=40D的冷彎管道，或熱煨彎頭，其曲率半徑一般為R≥5D[6]。

焊接、檢驗(yàn)：金屬管道焊接采用手工下向焊與半自動(dòng)焊結(jié)合方式。采用手工焊進(jìn)行根焊，其余焊道采用半自動(dòng)焊。管道焊縫必須進(jìn)行無損探傷檢驗(yàn)。

清管、試水壓、干燥：管線全線均采用潔凈水試壓。試水壓前，采用清管器清管。

1.2.2 管道穿越

河流穿越：本工程金屬管道穿越河流6處，其中穿越50m以上河流4處，穿越30m河流1處，穿越20m河流1處。小型河流穿越可采用開挖穿越，地質(zhì)和現(xiàn)場條件允許進(jìn)行直通鉆探（帶套管）或小定向鉆探。管頂埋深不小于最大沖刷線下0.5m。

鐵路、公路穿越：本工程管道穿越高速公路2處，穿越國道1處，穿越2條省級(jí)公路和2條普通公路。在鐵路，公路以及第一層和第二層的道路上，都采用了與混凝土地面相交的方法。絕緣支撐件安裝在殼體中，并且殼體的端部用諸如樹脂編織物的絕緣材料密封。三級(jí)及三級(jí)以下等級(jí)公路穿越，采用橫孔鉆機(jī)穿越方式，套管端部采用高收縮性的熱收縮套密封。等級(jí)外道路穿越采用無套管開挖穿越。

與本工程的金屬管道相交時(shí)，凈豎向距離必須至少為0.3m，如果小于0.3m，則必須在兩根管道之間安裝牢固的隔板，并且兩根管道必須對管道進(jìn)行擴(kuò)徑交叉路口兩側(cè)超過10m的路段，應(yīng)采用特加強(qiáng)絕緣等級(jí)。

管道與埋地電力、通信電纜交叉時(shí)，要求埋設(shè)在電力、通信電纜的下面，管頂與其間距不少于0.5m。

1.2.3 金屬管道防腐

外防腐：研究表明，金屬運(yùn)輸管內(nèi)爆裂的主要原因是由于管道長期承受高壓介質(zhì)的沖刷，同時(shí)在介質(zhì)中含鹽且有水存在，形成強(qiáng)腐蝕性的稀鹽酸腐蝕環(huán)境（如HCL或環(huán)烷酸），破壞了保護(hù)膜，HCl和H2S相互促進(jìn)構(gòu)成循環(huán)腐蝕。本項(xiàng)目使用安全可靠性高的三層聚乙烯涂層。

熱煨彎管的防腐可采用雙層環(huán)氧涂層，同時(shí)考慮外纏聚乙烯膠帶保護(hù)；或者整體采用外纏質(zhì)量可靠的熱收縮套。

管道焊接接頭的防腐補(bǔ)口采用三層結(jié)構(gòu)熱收縮套。

1.2.4 陰極保護(hù)方案及計(jì)算

本工程以強(qiáng)制電流系統(tǒng)為主，犧牲陽極系統(tǒng)為輔的陰極保護(hù)方案，并對強(qiáng)腐蝕地段的管道進(jìn)行臨時(shí)陰極保護(hù)。設(shè)計(jì)建設(shè)陰極保護(hù)站3座。

陰極保護(hù)系統(tǒng)：陽極地床采用深井安裝型式，輔助陽極材料采用高硅鑄造鐵。

1.2.5 有關(guān)雜散電流干擾腐蝕問題

由于雜散電流干擾源以及對管道的干擾強(qiáng)弱等因素存在不確定性，所以應(yīng)在管道埋地后，對管道是否受到雜散電流干擾進(jìn)行實(shí)測。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，判斷其對管道的干擾程度及分布，再?zèng)Q定是否采取防干擾腐蝕措施或防護(hù)的形式。

1.3 線路附屬工程

站場的進(jìn)出端及大型穿跨越兩端均設(shè)固定墩，用以防止溫度應(yīng)力而造成的管道不穩(wěn)定變形。

金屬管道每公里設(shè)里程樁一個(gè)，與陰極保護(hù)測試樁結(jié)合設(shè)置。平面轉(zhuǎn)角處設(shè)置轉(zhuǎn)角樁。穿越公路兩側(cè)設(shè)置標(biāo)志樁。河流穿越還應(yīng)酌情設(shè)置混凝土壓重塊穩(wěn)管。

防護(hù)工程：管道段的一般水力保護(hù)措施包括回填溝渠的土壤保護(hù)措施和確保地表水傳導(dǎo)的措施。

2 危險(xiǎn)有害因素危害程度分析

根據(jù)二十種傷亡事故種類，對金屬長輸管道系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)、有害因素分析，確定系統(tǒng)存在的危險(xiǎn)有害因素及危險(xiǎn)、危害程度如表2。

表2 危險(xiǎn)有害因素及危險(xiǎn)、危害程度表

項(xiàng)目存在的車輛傷害、高處墜落、機(jī)械傷害、觸電等危險(xiǎn)因素和噪聲、高低溫等有害因素僅影響從事作業(yè)的人員，不會(huì)對公共安全造成影響。

管道的運(yùn)輸系統(tǒng)中危險(xiǎn)危害因素對公共安全造成影響其中最嚴(yán)重的是火災(zāi)和爆炸。管道泄漏后，除了噴火外，還可能發(fā)生事故，并伴有泄漏和中毒氣體。

3 金屬管道內(nèi)發(fā)生泄漏蒸氣云爆炸傷害模型

為量化最為嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故對環(huán)境的影響范圍，建立了蒸汽云爆炸事故模型，模擬泄漏管道中爆炸的沖擊波，并在理想條件下確定泄漏的管道破壞程度。

蒸氣與空氣混合物的爆炸，具有極大的破壞力，首先是參與爆炸的物質(zhì)量一般較大，其次是蒸氣云爆炸往往是事故擴(kuò)大后的第二次爆炸，氣團(tuán)濃度達(dá)到爆炸下限，遇到火源就會(huì)爆炸。為估算爆炸所造成的人員傷亡情況，可將爆炸源周圍劃分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和安全區(qū)。

蒸汽云爆炸的能量常用TNT當(dāng)量描述。TNT當(dāng)量由式（1）計(jì)算。

式中：WTNT為蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg；a為蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù)，3%；Wf為蒸氣云中燃料的總質(zhì)量，kg；Qf為燃料的燃燒熱，MJ/kg；QTNT為TNT的爆炸熱，取4.5 MJ/kg。

在金屬管道破裂和泄漏引起的爆炸中，據(jù)估計(jì)管道內(nèi)產(chǎn)生泄漏的5%將來自蒸汽云爆炸。由于地面反射，地面爆炸幾乎使爆炸的能量增加一倍，通常應(yīng)將其乘以地面爆炸因子1.8。

目前，由爆炸產(chǎn)生的沖擊波的過大壓力通常是根據(jù)相同能量的TNT爆炸產(chǎn)生的過大壓力來確定的。表3顯示了超壓對人體造成的損害，沖擊波超壓達(dá)5kPa～6kPa時(shí)，即對門窗玻璃造成部分破碎，200kPa～300 kPa時(shí)，會(huì)對大型鋼架結(jié)構(gòu)造成破壞。

表3 沖擊波超壓對人體的傷害作用

1000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波超壓與距離的關(guān)系見圖1。

圖1 1000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波超壓△p與距離R的關(guān)系

根據(jù)超壓—沖量準(zhǔn)則和概率模型得到的死亡半徑公式。

死亡率取50%，可以認(rèn)為此半徑內(nèi)的人員全部死亡，半徑以外無一人死亡，這樣可以使問題簡化。

重傷半徑和輕傷半徑由式（3）計(jì)算：

式中：X為距離，m；△p為超壓。

財(cái)產(chǎn)損失半徑可按式（4）計(jì)算。

各區(qū)域要求的沖擊波峰值超壓為：死亡半徑超壓90kPa，重傷半徑44kPa，輕傷半徑17 kPa，財(cái)產(chǎn)損失半徑13.8kPa。

由以上計(jì)算得出發(fā)生管道爆炸時(shí)的傷害后果見表4。

表4 金屬管道爆炸傷害后果一覽表

管道爆炸模型計(jì)算結(jié)果。

管道內(nèi)的內(nèi)徑為零，并且外徑計(jì)算為R0.5。外徑表明外周人員死于沖擊波引起的肺出血的可能性為50%。嚴(yán)重傷害區(qū)域意味著，如果該區(qū)域的人員得不到保護(hù)，絕大多數(shù)人員將受到嚴(yán)重傷害，只有極少數(shù)人會(huì)被殺死或輕傷。其內(nèi)徑為死亡半徑R0.5，外徑計(jì)算為Rd0.5，重傷半徑為在此位置人員造成的沖擊波導(dǎo)致鼓膜破裂的概率為50%，并且沖擊波的峰值超壓為44kPa。如果輕傷地區(qū)的人員得不到保護(hù)，大多數(shù)人將受到輕傷，有些人將受到重傷或安全，死亡的可能性極低。區(qū)域直徑為Rd0.5，外徑為Rd0.01，這意味著外鼓膜因撞擊而破裂的可能性為1%，最大所需沖擊波值為17kPa。安全區(qū)域意味著即使該區(qū)域內(nèi)的人員沒有受到保護(hù)，絕大多數(shù)人員也不會(huì)受到傷害，并且死亡幾率實(shí)際上為零。內(nèi)徑為Rd0.01，外徑為無限大。

根據(jù)以上計(jì)算，在發(fā)生金屬管道泄漏引起爆炸的情況下，死亡半徑為10.2m，重傷半徑為30.4m，財(cái)產(chǎn)損失半徑為18.5m，輕傷半徑為54.5m，安全區(qū)域在54.5m之外。

4 模型結(jié)果結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀的分析

本項(xiàng)目管道主線距兩側(cè)村莊最近距離的A村為72m；1號(hào)支線距兩側(cè)村莊最近距離的A河75m；2號(hào)支線距兩側(cè)村莊最近距離的B村70m；3號(hào)支線距兩側(cè)村莊最近距離的C村為800m；4號(hào)支線距兩側(cè)村莊最近距離的D村為1200m。

綜上所述，該金屬長輸管道系統(tǒng)周圍最近的村莊均位于安全防護(hù)距離54.5m之外，泄漏發(fā)生爆炸時(shí)不會(huì)對周圍居民造成傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

圖2 距村莊最近點(diǎn)爆炸影響示意圖

5 結(jié)論

（1）在對金屬管道埋地鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)埋深、溫差、地質(zhì)、管道穿越情況的不同，進(jìn)行相應(yīng)的安全措施設(shè)計(jì)，防腐、陰極保護(hù)等防護(hù)工程應(yīng)合理、完善。

（2）管道內(nèi)輸氣系統(tǒng)中存在有火災(zāi)爆炸、中毒、車輛傷害、高處墜落、機(jī)械傷害、觸電等危險(xiǎn)因素和噪聲、高低溫等有害因素。其中，最嚴(yán)重的公共安全影響是火災(zāi)和爆炸事故，管道中的氣體泄漏后，除了噴射火之外，還會(huì)發(fā)生蒸氣云爆炸。

（3）在管道內(nèi)發(fā)生蒸汽云爆炸（假定5%）時(shí)，死亡半徑為10.2m，重傷半徑為30.4m，財(cái)產(chǎn)損失半徑為18.5m，輕傷半徑為54.5m，安全區(qū)為54.5m。